автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Улучшение характеристик блока управления протезируемой системы

На правах рукописи

Кулик Алексей Анатольевич

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2014

005550661

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Глазков Виктор Петрович

Официальные оппоненты Литовка Юрий Владимирович,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет», профессор кафедры «Системы автоматизированной поддержки принятия решений»

Щербатов Иван Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет», доцент кафедры «Автоматика и управление»

Ведущая организация: Институт проблем точной механики

и управления (ИПТМУ) РАН, г. Саратов

Защита состоится 09 июня 2014 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.08 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп.1, ауд.319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан «_» апреля 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Александр Александрович Терентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы в мире уделяется все больше внимание улучшению комфортных условий жизни и реабилитации людей, страдающих заболеваниями опорно-двигательного аппарата. По данным Росстата на 2010 г., общее число людей в России, страдающих заболеваниями опорно-двигательного аппарата, составляет 1,4 млн. человек, и с каждым годом их количество увеличивается на 200-300 тыс. чел. Стоимость продукции компании Honda, Otto Bock и Ossur составляет от 10-100 тыс. долларов, что не всегда соответствует возможностям отечественного потребителя.

Развитие отечественного высокотехнологичного протезостроения, а именно устройств и механизмов, позволяющих разгрузить мышечную массу нижних конечностей человека и одновременно обладающих лечебным эффектом, может стать благоприятным фактором, улучшающим условия быта и реабилитации людей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Значительный вклад в развитие принципов управления и конструирования вспомогательных устройств движения человека осуществлен отечественными и зарубежными учеными М. Вукобратовичем, Д. Е. Охоцимским, Ю. Ф. Голубевым, В. С. Гурфинкелем, Г. Р. Гриценко, И. Ш. Морейнисом, I Kato, Т. И. Штилькиндом, Yasushi Ikeuchi, Jun Ashihara, Tekeshi Koshiishi.

Вместе с тем остается актуальной задача повышения точности формирования выходного сигнала блока управления и обеспечения безопасности движения человека с системой. При этом применение средств и методов искусственного интеллекта может значительно повысить качество функционирование блока управления.

Цель работы заключается в повышении точности формирования выходного регулирующего сигнала блока управления протезируемой системы и обеспечения безопасности движения человека при отключении её электропитания на основе применения в его структуре нейросетевого процессора и широтно-импульсного модулятора с электронным ключом управляющего электромагнитной муфтой.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать существующие протезируемые и вспомогательные системы перемещения человека, а также устройства управления их движением.

2. Разработать методики и алгоритмы, обеспечивающие функционирование блока управления протезируемой системы с заданной точностью её выходных переменных, а также безопасность её эксплуатации системы при отключении электропитания.

3. Построить и исследовать математические модели движения протезируемой системы, а также её блока управления.

4. Разработать и апробировать конструкцию протезируемой системы.

5. Разработать модификацию блока управления системы.

Методы исследований. В работе использованы методы классической механики, математического моделирования, кинематического и динамического анализа, классической и современной теории автоматического управления, синергетики, мехатроники и робототехники, нейросетевого моделирования, экспериментальные исследования на физической модели.

Достоверность теоретических разработок, научных положений и выводов подтверждается корректностью применения математического аппарата теории управления, теории дифференциальных уравнений, согласованностью результатов

теоретических расчетов с данными, полученными в процессе практической апробации работы, а также имитационным моделированием движения устройства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана модификация блока управления протезируемой системой, отличающаяся наличием нейросетевого процессора, широтно-импульсного модулятора и электронного ключа, что позволяет повысить точность регулирующего сигнала и безопасность эксплуатации системы в процессе движения человека при отключении электропитания.

2. Построена математическая модель, характеризующая движение протезируемой системы, отличающаяся описанием деформации элемента механизма передачи движения к коленному шарниру, что позволяет исследовать изменение переменных движения системы обрабатываемых блоком управления, и определить закон изменения регулирующего сигнала.

3. Предложена методика анализа точности регулирующего сигнала блока управления, отличающаяся сравнением кинематических и динамических переменных движения протезируемой системы с заданными, что позволяет оценить эффективность функционирования блока управления и разработать методы улучшающие его характеристики.

4. Определены условия формирования управляющего сигнала блока управления протезируемой системы, учитывающие применение широтно-импульсного модулятора и электронного ключа, что позволяет обеспечить движение системы при отключении электропитания её устройства управления.

5. Предложен способ вычисления управляющих воздействий блоком управления системы, отличающийся применением метода нейросетевого моделирования, что позволяет обеспечить движение протезируемой системы с заданной точностью выходных переменных.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке новых методик обеспечения качественного управления движением протезируемых системы, позволяющих минимизировать отклонение реальных кинематических переменных движения системы от их идеальных значений; новых математических моделей движения протезируемой системы, которые могут быть использованы при проектировании устройств подобного класса; методических рекомендаций проектирования протезируемых систем.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что результаты, полученные на базе предложенного устройства, защищенного патентом на полезную модель, позволяют обеспечить безоперационное лечение некоторых видов заболеваний опорно-двигательного аппарата (сращивать сломанные кости, восстанавливать суставы нижних конечностей человека); разгрузить скелет и мышцы нижних конечностей человека; снизить стоимость изделия по сравнению с зарубежными аналогами; обеспечить движение протезируемой системы с заданной точностью кинематических параметров; реализовать движение устройства в соответствии с естественным движением человека.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Структурная схема блока управления протезируемой системы с нейросегевым процессором и электронным ключом, позволяющая повысить точность регулирующего

сигнала блока управления системы и безопасность её эксплуатации в процессе движения человека при отключении электропитания.

2. Математическая модель, которая описывает движение полуавтоматической протезируемой системы и позволяет исследовать изменение переменных движения системы обрабатываемых блоком управления.

3. Результаты анализа точности регулирующего сигнала блока управления, которые позволяют оценить эффективность его функционирования.

4. Методика формирования управляющего сигнала широтно-импульсным модулятором и электронным ключом блока управления протезируемой системы, позволяющая обеспечить движение системы при отключении её электропитания и плавность выключения электромагнитной муфты.

5. Способ формирования управляющих воздействий блоком управления системы с использованием метода нейросетевого моделирования, что позволяет обеспечить движение протезируемой системы с заданной точностью выходных переменных.

6. Результаты нейросетевого моделирования функционирования блока управления полуавтоматической протезируемой системы, согласно которым максимальное отклонение регулирующего сигнала блока управления от заданных значений кинематических и динамических переменных движения системы, находятся в пределах требуемого диапазона.

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы в технике и технологиях», 23-й и 24-й Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», 5-м и 6-м Саратовском областном салоне «Изобретения, инновации и инвестиции», международном конгрессе информационных технологий 1СГП-2012, форуме Селигер-2010 на секции «Инновации и техническое творчество».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 3 - в журналах из перечня ВАК РФ, 1 патент РФ на полезную модель, 1 свидетельство на программу для ЭВМ. /

Личный вклад автора в этих работах состоит в создании конструктивных решений при модернизации конструкции протезируемой системы разработке системы управления устройством, в построении математической модели движения человека и протезируемых механизмов, в разработке алгоритмов и методик обеспечения заданной точности движения протезируемых систем и безопасности движения человека с устройством при отключении электропитания.

Использование результатов. Разработанные модели и методы приняты к внедрению конструкторами и разработчиками в отрасли протезостроения. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Системы искусственного интеллекта» для студентов специальности «Роботы и робототехнические системы» и направления «Мехатроника и робототехника».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Общий объем диссертации составляет 148 страниц машинописного текста, 38 рисунков, 2 таблиц, списка литературы из 124 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формируются основные результаты работы, выносимые на защиту.

В первой главе описываются конструкции и назначение вспомогательных средств лечения людей с повреждением опорно-двигательного аппарата, этапы проектирования протезируемых систем. Приводятся требования, предъявляемые к ним, анализ протезируемой системы как объекта управления. Формулируются цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе осуществляется анализ устройства управления протезируемых систем с описанием их преимуществ и недостатков, предложена модификация устройства управления. Представлены конструкция и принцип работы протезируемой системы.

Структурная схема устройства управления движением системы представлена на рис. 1, которая содержит аккумулятор, блок управления, электропривод, электромагнитную муфту, а также датчики обратной связи, установленные в области тазобедренного шарнира и исполнительного механизма.

Питание устройства управления осуществляется от аккумулятора и поступает на вход блока управления, который формирует управляющие сигналы вращения ротора электродвигателя и включения/отключения электромагнитной муфты.

Значения углов поворота и моментов, формируемых относительно тазобедренного шарнира, определяются датчиками обратной связи Дой,Доо1. При этом вращение ротора электродвигателя передается к коленному шарниру через исполнительный механизм, например кривошипно-шатунный механизм.

Датчик обратной связи Дос5, характеризует деформацию элемента передачи движения исполнительного механизма в процессе эксплуатации протезируемой системы.

Во время движения человека с

системой возникает опасность отключения электропитания

устройства управления, что может привести к заклиниванию выходного вала электродвигателя и невозможности перемещения

человека с устройством. Поэтому в конструкции системы предусмотрено наличие электромагнитной муфты соединяющей ротор электродвигателя и исполнительный механизм. Управление электромагнитной муфтой осуществляется блоком управления протезируемой системы по сигналу с датчика заряда аккумулятора Дос2, который характеризует уровень понижения заряда аккумулятора Также на вход

Рис. 1. Структурная схема устройства управления движением протезируемой системы где БУ - блок управления, ЭПУ - электропривод, ИМ -исполнительный механизм, ЭММ — электромагнитная муфта, Д^.-Дой - датчики полуавтоматической протезируемой системы

блока управления поступает сигнал изменения динамических характеристик движения системы, формируемый человеком через датчики давления Д„

Конструкция системы, защищенной автором патентом [4] на полезную модель «Ортопедический аппарат для разгрузки нижних конечностей человека», представлена на рис. 2.

Принцип работы разработанной протезируемой системы заключается в следующем: пользователь располагается на седле 4 устройства и стопой над площадкой 24 и закрепляет устройство на теле фиксирующими манжетами 6, 7, 8. Электродвигатель аппарата 5 включается нажатием носком стопы на контактный выключатель 25. Электродвигатель 5 формирует вспомогательный момент вращения, прикладываемый к оси 1 тазобедренного шарнира устройства и внешней стойке 16, осуществляя подъем бедра пользователя. Одновременно с подъемом бедра пользователя осуществляется отклонение его голени от начального вертикального положения в результате прикладываемого момента вращения электродвигателя 5 к и -образной стойке 2 механизмом передачи движения, в качестве которого используется кривошипно-шатунный механизм.

Электродвигатель 5 передает момент вращения на кривошип 17, с которого он передается на кривошип 23 и ось 13 коленного шарнира через шатун 9. Пользователь включает реверсивное вращение электродвигателя 5 нажатием пяткой стопы на контактный выключатель 26. Электродвигатель прикладывает обратный момент вращения к оси 1 тазобедренного шарнира, внешней стойке 16 и к С/-образной стойке 2, осуществляя подъем корпуса пользователя и возвращая бедро и голень в начальное положение.

Преимуществом разработанного устройства является возможность совмещения разгрузки опорно-двигательного аппарата человека с лечебным эффектом, к которому можно отнести сращивание сломанных костей безоперационным методом, восстановление коленного и тазобедренных суставов. Это достигается его конструкцией, а именно наличием седла, стремени, охватывающих стоек, которые формируют усилие «вытяжения» в области суставов человека и уменьшают давление на внутрисуставной хрящ. Дополнительными преимуществами по сравнению с зарубежными аналогами являются относительно невысокая стоимость и широкая область применения. Устройство также может быть применено в медицинских целях не только для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата человека, но и в качестве аппарата для реабилитации пациентов, находящихся на послеоперационном лечении.

В третьей главе приводится анализ методов повышения эффективности функционирования блоков управления вспомогательных устройств движения человека, а также определение эффективности функционирования блока управления протезируемой системы, предлагается функциональная схема блока управления и её элементы.

А

(1-ось тазобедренного шарнира; 2 - и - образная стойка; 3, 12,14 — перемычки; 4 - седло;5 - электродвигатель; б, 7,8 - манжеты крепления; 9- шатун; 10-радиусная направляющая; 11 - передний упор; 13-ось коленного шарнира; 15-внутренняя стойка; 16 —внешняя стойка; 17, 23 - кривошип; 19 - верхний корпус; 24 -контактная площадка; 25,26 - контактные выключатель; 28 — нижняя стойка)

Рис. 3. Структурная схема блока управления

протезируемой системы где АЦП - аналогово-цифровой преобразователь, НП - нейронный процессор, Д,....Д6 -делители напряжения, УТ1 -транзистор, У01—диод, РУ1 — электромагаитная муфта, Е — питание транзистора, и„мт,ивта иу,тт-заданные значения моментов, углов поворота звеньев системы, деформации элемента передачи движения, соответственно; £/осм,[/осв , 1/0Су -электрический сигнал, характеризует значения моментов, углов поворота звеньев системы, деформации элемента передачи движения, поступающие на датчики обратной связи, соответственно; £/упр -управляющие воздействие

формируемое блоком управления, - резистор базы транзистора, ШИМ - широтно-импульсный модулятор

Рис. 4. Структурная схема нейронной сети протезируемой системы

Функционирование блока

управления протезируемой системы считается удовлетворительным, если значение его регулирующего сигнала, обеспечивает значения кинематических и динамических переменных движения системы в заданном диапазоне ±5%. В качестве значений кинематических и динамических переменных движения протезируемой системы приняты значения углов и моментов вращения суставов нижних конечностей человека, моментов формируемых относительно датчиков давления расположенных на контактной площадке системы, деформация элемента передачи движения к коленному шарниру. Наряду с требованиями к точности выходного сигнала блока управления, необходимо выполнения условия обеспечения безопасности движения человека с системой при отключении её электропитания и создании аварийной ситуации в процессе эксплуатации устройства.

Повышение точности функционирования блока управления системы может быть осуществлено методом

нейросетевой компенсации, который заключается в минимизации отклонения действительных значений

контролируемых переменных движения системы от заранее заданных, что достигается использованием нейронных сетей в качестве вторичного преобразователя информации устройства управления протезируемой системы формирующего управляющий сигнал относительно электромеханического устройства.

Схема блока управления (рис. 3) содержит АЦП, делители напряжения, нейросетевой преобразователь информации, в качестве которого может быть использован нейропроцессор, транзистор УТ1, резистор диод У01 и широтно-импульсный модулятор (ШИМ).

На вход АЦП поступают сигналы с датчиков устройства управления протезируемой системы через соответствующие делители напряжения. Затем сигналы поступают на вход нейропроцессора. Делители напряжения предназначены для

преобразования выходных сигналов датчиков обратной связи системы в соответствии с заданным диапазоном сигналов поступающих на вход АЦП.

Нейронная сеть процессора формирует значения управляющего сигнала, поступающего на вход электродвигателя, а также использование нейронной сети позволяет обеспечить движение протезируемой системы с заданной точностью её выходных переменных. Структурная схема нейронной сети, представленная на рис. 4, является нейронной сетью прямого распределения с линейной функцией активации и обучением методом алгоритма градиентного спуска.

Транзистор во время работы блока управления находится в открытом состоянии и передает заряд аккумулятора на электромагнитную муфту РУ1. При понижении заряда на аккумуляторе транзистор УТ1 закрывается, что приводит к отключению электромагнитной муфты и отсоединению выходного вала электродвигателя от исполнительного механизма. Резистор ЯБ обеспечивает запирание транзистора при низком уровне управляющего сигнала во всем диапазоне рабочих температур. Применение в структуре блока управления ШИМ и электронного ключа (транзистор УТI) позволяет обеспечить плавность выключения/включения электромагнитной муфты системы, тем самым повышая безопасность эксплуатации системы пользователем и его долговечность.

Переходные процессы в электронном ключе управляемом ШИМ представлены на рис. 5.

Из зависимостей переходных процессов в электронном ключе видно, что ток коллектора плавно возрастает до величины,

соответствующей насыщению

коллектора при изменении ширины импульсов, поступающих на вход ключа. В случае внезапного отключения питания блока управления протезируемой системы ШИМ формирует импульсный сигнал с различным шагом, значение тока коллектора начинает плавно уменьшаться. Таким образом, применение в структуре блока управления ШИМ и электронного ключа позволяет сформировать управляющий сигнал относительно электромагнитной муфты, обеспечивая плавность её включения/выключения, долговечность электромагнитной муфты и безопасность перемещения человека с системой при отключении её электропитания.

Рассмотренные в главе методы повышения эффективности функционирования блока управления полуавтоматической протезируемой системы позволяют сформировать управляющий сигнал блока управления с заранее заданной точностью и обеспечить безопасность эксплуатации системы человеком при отключении её электропитания.

В четвертой главе приводятся математические модели функционирования блока управления протезируемой системой, движения нижних конечностей человека и протезируемых устройств. Здесь рассматриваются и анализируются основные математические модели движения человека и антропоморфных механизмов.

Математическое описание блока управления протезируемой системы построено на базе модели нейронной сети и имеет вид

1 1

-■н ■

Рис. 5. Переходные процессы в электронном ключе, управляемом ШИМ

í-l (1) V„2S = + c2V „ s , и „2 „ = с3£/ „ + сли , и ^ , = съи , m¡ +с6иху,

где Í/Bb[x - значение сигнала, характеризующего управляющее воздействие блока управления относительно электропривода, í/ах2е, U¡saM,U„ay-значения сигналов, поступающих на входной слой нейронной сети, иМзит,ивжт, Uym¡m -заданные значения моментов, углов поворота звеньев системы, деформации элемента передачи движения, соответственно; Uocii ,UOC0, í/oc„ — значения электрических сигналов, поступающие на вход нейронной сети с датчиков обратной связи и характеризующие действительные значения моментов, углов поворота звеньев системы, деформации элемента передачи движения, соответственно; c¡,cl...£6 - весовые коэффициенты каждого нейрона сети.

Зависимости электрических сигналов заданных и действительных переменных движения протезируемой системы имеют вид

Чосв = '^«ейст ('). = '^дейст ('). "осудейсг = кЪ ' У реал (Г), U у-щт = к6 ' У задан (О- (2)

^«зад.„ = к„(Т,Тмвид (г) + (Г) + <?„„, (Г)), £/„ „д>]1 = к4 ■ М ^ (Г) + • М „ш (Г),

где б'дейстСО. МдейстСО, Удейст» W - зависимости изменения действительных (экспериментальных) значений углов и моментов поворота звеньев системы, деформации элемента передачи движения к коленному шарниру, k¡...Jc6 -постоянные коэффициенты, определяемые параметрами датчиков обратной связи, <9,ада11(г), Л/^Дг), ymu(t) -зависимости изменения заданных значений углов и моментов поворота звеньев системы, деформации элемента передачи движения к коленному шарниру, йщмиМДад.в W' ^ зада,, (0-первые и вторые производные углов и моментов поворота звеньев

Из зависимостей (1) и (2) видно, что изменение регулирующего сигнала блока управления прямо пропорционально изменению кинематических и динамических переменных движения протезируемой системы. Их вычисление осуществлялось математическим моделированием вращения шарниров системы и деформации элемента передачи движения к коленному шарниру, взаимосвязанных с физико-техническими характеристиками системы.

В качестве исходной модели, описывающей вращение шарниров протезируемой системы, выбрана модель движения человека, предложенная Като. Её кинематическая схема на рис. 6. Система уравнений имеет следующий вид:

1/2 + m2a2 + m3/¿ J92 + {m2l2a3 cos( в2 - 03)}¿3 - (G2a2 + C3/2)sin 62 = M 2 - M 3¡

{m)lia3 cos( в2 - въ )}в2 +(!,+ m}a¡ )въ - Съаъ sin вг=Мъ ®

б) для фазы переноса: {/3 +m3¿32 +(т2 + m,)/32}¿3 + {т2/362 cos(03-02) + т,/3/2 cos(03 -02)}i92 + (G3b3 + G2/3 + + G,/3)sini93 = M3 -Af2,

W:í¿2 cos(é»3 - é»2) + m¡l3l2 cos(é>3 - 6>2 )}#, + (/2 + m^2 + m,)<92 + (G2 + G, )fc2 sin й, = M2, ^

протезируемой системы.

а б

Рис. б. Модель трехзвенной механической ноги: а - фаза опоры, б - фаза переноса

а) для фазы опоры:

где ш,, т2, тъ -соответствующие массы звеньев; 1Л, 12,1} - расстояния между суставами; я,, а2, аъ -расстояния между центрами тяжести звена и соответствующего сустава; Ь1,Ь2,Ь-> - расстояния между центрами тяжести звена и соответствующей точкой опоры; 0р02,С3-вес звеньев; М2,Мг -суставные моменты; вг, въ - угловые координаты, измеренные от вертикали.

Результаты моделирования вращения шарниров протезируемой системы представлены в виде графиков на рис. 7-10.

Рис. 7. Зависимость в2 = /(?) для коленного сустава человека:

а б

Рис. 8. Зависимость 9Ъ = /(/) для тазобедренного сустава человека: а - фаза опоры, б - фаза переноса

Рис. 9. Зависимость М2 = /(Г) для коленного шарнира протезируемой системы: а - фаза опоры, б - фаза переноса

а б

Рис. 10. Зависимость Мъ = f{t) для тазобедренного шарнира протезируемой системы: А - фаза опоры, б - фаза переноса

Из приведенных зависимостей видно, что максимальное отклонение коленного сустава в фазах опоры и переноса составляет не более 30°; максимальное отклонение для тазобедренного сустава в фазе опоры - не более 42,75° и фазе переноса - не более 23,75°. При этом в медицине приняты допустимые значения углов вращения суставов человека при его прямолинейном движении, для тазобедренного сустава - [0*45]° в фазе опоры и [0 + 25]° в фазе переноса, для коленного сустава в фазе опоры и переноса - [0 + 32]°. Таким образом, отклонение результатов моделирования от допустимых медицинских значений составляет не более 5%, что позволяет принять точность отклонения кинематических и динамических переменных движения протезируемой системы от заданных в диапазоне ±5%. Полученные результаты позволяют определить усилия, создаваемые в кинематических парах полуавтоматической протезируемой системы, и построить зависимости изменения управляющих воздействий формируемых блоком управления системы.

Далее приводятся результаты

исследования деформации элемента механизма передачи движения от электродвигателя к коленному шарниру, математическое моделирование которого осуществляется методом конечных элементов.

Элемент передачи движения делится на п конечных элементов с последующим моделированием их перемещения. Кинематическая схема деформации элемента передачи движения к коленному шарниру протезируемой системы представлен на рис. 11.

Деформация элементов исследуемого звена и сокращения нижних конечностей человека описывается дифференциальными уравнениями Лагранжа II рода:

[М °] (2°} = [Р°}, (5)

где [А/0] - матрица масс элемента передачи движения в общей системе координат; [АГ°] -матрица жесткости элемента передачи движения в общей системе координат; [К°г] - матрица жесткости г-го конечного элемента в общей системе координат; {2°}- вектор перемещения конечного элемента; {Р°) - вектор внешних сил, формируемых относительно конечного элементом, г — конечный элемент.

В процессе исследования деформации элемента передачи движения к коленному шарниру по формуле (5) вычислены значения перемещения его конечных элементов у{г), которые являются компонентами вектора . Зависимость изменения значений максимального деформируемого конечного элемента, представлена на рис. 12.

Рис. 11. Кинематическая схема деформации элемента передачи движения к коленному шарниру протезируемой системы (1 - сустав;

2 - мышца; 3 - точечный груз; Х°У°7° —общая система координат; а — угол поворота шарнира; / — длина элемента передачи движения; А1,Ах- величины деформации элемента передачи движения; т - масса груза; N - усилие формируемое электроприводом)

Согласно результатам расчета, !деформация элемента передачи движения к

коленному шарниру в процессе эксплуатации системы равномерно возрастает и не превышает предельно допустимое значение, которое составляет 0,14 мм. Результаты моделирования « о. о, «» о» , позволили разработать методику и

Рис. 12. Перемещение максимально алгоритм, обеспечивающие безопасность

деформируемого конечного элемента уг = /(г) движения человека в случае деформации элемента передачи движения превышающей её предельно допустимые значения.

Значения углов и моментов вращения тазобедренного шарнира протезируемой системы, деформации элемента передачи движения к коленному шарниру представлены в таблице.

Значения углов (в,), моментов (М3) и деформации (у)

Механизм передачи движения

Этап движения Тазобедренный шарнир Элемент передачи движения к коленному шарниру

системы 3 ЭШ! ' л 3задан ' ^Зупр • Мзш, • М 1 3 задан» МЪт> У выч > V J задан ' У улр •

град град град Нм Нм Нм мм ММ мм

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.0000 0.0000 0.0000

1.45 1.50 1.50 0.98 0.10 0.10 0.0013 0.0015 0.0015

2.05 2.00 2.00 0.27 0.25 0.25 0.0031 0.0030 0.0030

4.54 4.50 4.50 0.52 0.50 0.50 0.0047 0.0045 0.0045

Фаза 6.93 7.00 7.00 0.74 0.80 0.80 0.0055 0.0060 0.0060

опоры 10.82 10.74 10.74 1.76 1.00 1.00 0.0078 0.0075 0.0075

движения 15.28 15.44 15.44 3.16 4.50 4.50 0.0082 0.0090 0.0090

19.68 20.92 20.92 5.84 6.00 6.00 0.0097 0.0105 0.0105

29.80 27.60 27.60 9.18 8.50 8.50 0.0125 0.0120 0.0120

31.94 34.34 34.34 9.30 11.60 11.60 0.0143 0.0135 0.0135

46.28 42.75 42.75 13.80 14.50 14.50 0.0162 0.0150 0.0150

0 0 0 0 0 0 0.0150 0.0150 0.0150

-0.86 -0.85 -0.85 -2.78 -2.65 -2.65 0.0144 0.0135 0.0135

-1.89 -1.75 -1.75 -5.67 -5.25 -5.25 0.0110 0.0120 0.0120

-2.69 -2.75 -2.75 -8.33 -8.50 -8.50 0.0111 0.0105 0.0105

Фаза -4.06 -3.80 -3.80 -13.37 -12.50 -12.50 0.0096 0.0090 0.0090

переноса -6.36 -6.44 -6.44 -21.20 -20.00 -20.00 0.0073 0.0075 0.0075

движения -8.99 -9.15 -9.15 -29.16 -31.70 -31.70 0.0064 0.0060 0.0060

-12.97 -12.24 -12.24 -42.15 -42.20 -42.20 0.0047 0.0045 0.0045

-17.04 -15.78 -15.78 -59.17 -55.30 -55.30 0.0032 0.0030 0.0030

-18.14 -19.44 -19.44 -65.80 -70.00 -70.00 0.0013 0.0015 0.0015

-24.10 -23.75 -23.75 -88.56 -82.00 -82.00 0.0000 0.0000 0.0000

В таблице приведены следующие данные:

— известные экспериментальные значения, полученные японскими учеными [Yasushi Ikeuchi, Jun Ashihara, Tekeshi Koshiishi] в процессе испытания протезируемого устройства «А walking assistance device», углов 03зксп вращения тазобедренного шарнира. По значениям 0)зт и формулам (3)-(5) вычислены значения моментов Л/,„ыч создаваемые электродвигателями протезируемой системы и деформации элемента передачи движения к коленному шарниру системы у шч.

- исходя из допустимых физиологических норм вращения суставов человека, в качестве заданных приняты значения б>3мдш , М3идан, .

— вычисленные значения углов и моментов вращения тазобедренного шарнира, деформации элемента передачи движения к коленному шарниру 03упр, М3упр, Уупр определенные методом нейросетевого моделирования.

В первом столбце таблицы представлены этапы движения протезируемой системы: фазы опоры и переноса, кинематические схемы которых представлены на рис. 6.

Как видно из таблицы, диапазон отклонения экспериментальных и вычисленных значений переменных движения протезируемой системы от заданных составляет ±8%. При этом отклонение значений М3упр, у от заданных

<?3,„д™. Мэиш... У ,„„„„, менее ±3% .

Таким образом, нейросетевой преобразователь информации способен с определенным запасом обеспечить требуемый диапазон отклонений (±5%) кинематических и динамических переменных движения протезируемой системы.

В приложении представлены методы лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата человека, описание зарубежных протезируемых систем, электрическая схема блока управления протезируемой системы, программа управления движением системы и другая конструкторская документация.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Разработана конструкция и блок управления протезируемой системы.

2. Разработана математическая модель, позволяющая определить значения углов и моментов формируемых устройством управления относительно кинематических пар системы, а также значения деформации элемента передачи движения к коленному шарниру.

3. Проведено математическое моделирование функционирования блока управления протезируемой системы, что позволяет исследовать его работоспособность.

4. Проведен сравнительный анализ результатов математического моделирования движения системы относительно перемещения нижних конечностей человека.

5. Предложена методика анализа точности регулирующего сигнала блока управления, позволяющая оценить эффективность функционирования блока управления и разработать методы, улучшающие его характеристики.

6. Предложены методики, обеспечивающие функционирование блока управления протезируемой системы с заданной точностью формируемого им управляющего сигнала, а также обеспечивающие безопасность эксплуатации системы в случае отключения её электропитания.

7. Проведено исследование предложенных методик на адекватность и работоспособность.

8. Разработана техническая документация для изготовления опытного образца устройства с последующим проведением экспериментальных исследований его движения, что позволит доработать и внедрить систему в производство.

Полученные результаты исследований позволяют определить технические характеристики и требования, предъявляемые к протезируемым системам и их устройствам управления. Также они могут быть использованы в процессе проектирования и производства протезируемых систем подобного класса.

Существенным отличием предлагаемой протезируемой системы от её зарубежных аналогов является наличие лечебного эффекта, а также усиление мышечной силы нижних конечностей человека. Кроме того, корректирование регулирующего сигнала блока управления системы позволяет повысить точность и качество её движения.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ

1. Кулик A.A. Система разгрузки нижних конечностей человека / В.П. Глазков, A.A. Кулик, Л.П. Непран, Н.И. Фролов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 4 (43). Вып. 2. С. 171-173.

2. Кулик A.A. Исследование движения устойчивости протезируемой системы / В.П. Глазков, A.A. Кулик // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4 (62). Вып. 4. С. 63-69.

3. Кулик A.A. Использование нейросетевого компенсатора для стабилизации движения полуавтоматических протезируемых систем / В.П. Глазков, A.A. Большаков, A.A. Кулик // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 1 (154). С. 13-17.

Патенты РФ

4. Кулик A.A. Ортопедический аппарат для разгрузки нижних конечностей человека / В.П. Глазков, A.A. Кулик, Б.М. Кузьмиченко, Л.П. Непран; Патент на полезную модель RU № 113653 от 27.02.2012.

5. Кулик A.A. Программа управления движением полуавтоматической протезируемой системы / В.П. Глазков, A.A. Большаков, A.A. Кулик, В.В. Лобанов; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU №2013661106 от 28.11.2013.

Публикации в других изданиях

6. Кулик A.A. Аппарат для разгрузки скелета человека / В.П. Глазков, A.A. Кулик // Инновации и актуальные проблемы в технике и технологии: сб. тр. Всерос. науч.-практ. конф. Саратов, 2009. Т. 2. С.119-120.

7. Кулик A.A. Математическая модель движения протезов и протезируемых систем для нижних конечностей человека / A.A. Кулик, В.П. Глазков // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. тр. Междунар. науч. конф. Саратов, 2010. Т. 6. С. 141-143.

8. Кулик A.A. Математическая модель движения нижних конечностей человека / В.П. Глазков, A.A. Кулик // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов, 2010. С. 57-60.

9. Kulik A.A. Mathematical Simulation of Motion of the Semiautomatic Prosthetic System / V.P. Glazkov, A.A. Kulik // International congress on information technologies-2012: Proceedings of abstracts. Saratov, 2012. P. 30-31.

10. Кулик A.A. Исследование устойчивости работы устройства управления полуавтоматической протезируемой системы с использованием нейросетевого метода моделирования. / В.П. Глазков, A.A. Кулик // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2011. С. 19-25.

11. Кулик A.A. Исследование устойчивости движения протезируемой системы / В.П. Глазков, A.A. Кулик // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-24: сб. тр. Междунар. науч. конф. Саратов, 2011. Т. 2. С. 118-122.

12. Кулик A.A. Исследование устойчивости работы устройства управления протезируемой системы с использованием нейросетевого моделирования / А.А Кулик // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. тр. Междунар. науч. конф. Саратов, 2011. С. 116-119.

13. Kulik A.A. Mathematical Simulation and Research Stability Motion of the Semiautomatic Prosthetic System / V.P. Glazkov, A.A. Kulik // Bulgarian Journal for Engineering Design. 2013. № 18. P. 107-117.

14. Кулик A.A. Исследование деформации упругого элемента полуавтоматической протезируемой системы на устойчивость / В.П. Глазков,

A.A. Большаков, A.A. Кулик // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-26: сб. тр. Междунар. науч. конф. Саратов, 2013. Т. 8. С. 151-155.

15. Кулик A.A. Математическое моделирование движения человека по лестнице /

B.П. Глазков, A.A. Большаков, A.A. Кулик // Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-26: сб. тр. Междунар. науч. конф. Саратов, 2013. Т. 8. С. 155-159.

16. Кулик A.A. Математическая модель сокращения мышц нижних конечностей человека / В.П. Глазков, A.A. Кулик // Современные проблемы биофизики, генетики, электроники и приборостроения: сб. тр. Всерос. науч. семинара. Саратов, 2012. С. 9-11.

17. Кулик A.A. Полуавтоматический комплекс для лечения переломов верхних и нижних конечностей человека / В.П. Глазков, A.A. Кулик // Проблемы управления, обработки и передачи информации (АТМ-2013): сб. тр. III Междунар. науч. конф. Саратов, 2013. С. 119-121.

Подписано в печать 02.04.14 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 47 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

На правах рукописи

04201459023

Кулик Алексей Анатольевич

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ

Специальности: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Глазков Виктор Петрович

Саратов - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.........................................................................................4

1. Обзор протезируемых систем и вспомогательных устройств движения человека. Постановка задачи..............................................................11

1.1 Краткая характеристика протезируемых систем...........................11

1.2 Формирование этапов проектирования протезируемых систем..........................................................................................23

1.3 Постановка цели и задачи исследования.........................................25

Выводы по главе............................................................................26

2. Разработка модификации устройства управления протезируемой системы.......................................................................................28

2.1 Анализ устройств управления протезируемых систем..............................28

2.2 Модернизация устройства управления протезируемой системы............31

2.3 Разработка модификации конструкции протезируемой системы..35 Выводы по главе...................................................................41

3. Повышение качества функционирования блока управления протезируемой системы......................................................................................42

3.1 Анализ методов повышения качества функционирования блока управления протезируемых систем.....................................................42

3.2 Разработка модификации блока управления протезируемой системы......................................................................................58

3.3 Описание нейросетевого преобразователя информации.................63

Выводы по главе...........................................................................67

4. Математическое моделирование функционирования блока

управления протезируемой системы........................................68

4.1 Описание и анализ методов математического моделирования движения человека.....................................................................................68

4.2 Построение математической модели движения протезируемой системы.......................................................................................86

4.3 Исследование деформации элемента передачи движения к коленному шарниру.....................................................................94

4.4 Построение математической модели функционирования блока

управления протезируемой системы..................................................103

Выводы по главе..........................................................................106

Заключение................................................................................108

Список литературы......................................................................112

Приложение 1. Лечение заболеваний опорно-двигательного аппарата

человека....................................................................................125

Приложение 2. Перевод патента на устройство "A walking assistance

device".......................................................................................132

Приложение 3. Программа управления движением полуавтоматической

протезируемой системой...............................................................144

Приложение 4. Электрическая схема блока управления протезируемой

системы....................................................................................146

Приложение 5. Свидетельство о государственной регистрации программы

для ЭВМ....................................................................................147

Приложение 6. Патент на полезную модель........................................148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние годы в мире уделяется все больше внимание улучшению комфортных условий жизни и реабилитации людей, страдающих заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Однако современные методы и механизмы, направленные на ее решение, далеки от совершенства, в частности, не обладают лечебным эффектом для людей с временными заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Так, например, большинство устройств, разработанных компанией Honda, являются вспомогательными механизмами передвижения человека и представляют «усилитель» мышечной силы нижних конечностей пользователя. При этом на российском рынке отсутствует отечественная протезостроительная продукция, по физико-техническим свойствам близкая к зарубежным аналогам. По данным Росстата на 2010 г., общее число людей в России, страдающих заболеваниями опорно-двигательного аппарата, составляет 1,4 млн. человек и с каждым годом их количество увеличивается на 200-300 тыс. чел. Стоимость продукции компании Honda, Otto Bock и Ossur составляет от 10100 тыс. долларов, что не всегда соответствует возможностям отечественного потребителя.

Развитие отечественного высокотехнологичного протезостроения, а именно устройств и механизмов, позволяющих разгрузить мышечную массу нижних конечностей человека и одновременно обладающих лечебным эффектом, может стать благоприятным фактором, улучшающим условия быта и реабилитации людей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Проектирование и производство таких механизмов связано с рациональным выбором их конструкции, устройства управления, механизмов передачи движения человеку и программной реализацией законов движения устройства. При этом основным этапом проектирования является создание системы управления, исследование и обеспечение качества функционирования её блока управления. Значительный вклад в развитие

принципов управления и конструирования вспомогательных устройств движения человека осуществлен отечественными и зарубежными учеными М. Вукобратовичем, Д. Е. Охоцимским, Ю. Ф. Голубевым, В. С. Гурфинкелем, Г. Р. Гриценко, И. Ш. Морейнисом, I Ка1;о, Т. И. Штилькиндом, УаэизЫ 1кеисЫ, 1ип АзЫЬага, ТекеэЫ КобЬпзЫ. В работах приводится основные этапы проектирования антропоморфных механизмов и вспомогательных устройств движения человека, а именно математическое моделирование их движения, создание и исследование систем управления, методы повышения качества движения механизма, что может являться значительным вкладом в развитие протезостроения.

Вместе с тем остается актуальной задача повышения точности формирования выходного сигнала блока управления и обеспечения безопасности движения человека с системой. При этом применение средств и методов искусственного интеллекта может значительно повысить качество функционирование блока управления.

Развитие отечественного высокотехнологичного протезостроения, а именно устройств и механизмов, позволяющих разгрузить мышечную массу нижних конечностей человека и одновременно обладающих лечебным эффектом, может стать благоприятным фактором, улучшающим условия быта и реабилитации людей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Проектирование и производство таких механизмов связано с рациональным выбором их конструкций, устройств управления, механизмов передачи движения человеку и программной реализацией законов движения устройства. При этом основным этапом проектирования является построение математических моделей движения механизма и человека, исследование и обеспечение качества движения устройства. Необходимо отметить, что применение средств и методов искусственного интеллекта может в значительно повысить точность и устойчивость движения полуавтоматических и автоматических протезируемых систем.

Цель исследования заключается в повышении точности формирования выходного регулирующего сигнала блока управления протезируемой системы и обеспечения безопасности движения человека при отключении её электропитания на основе применения в его структуре нейросетевого процессора и электронного ключа управляющего электромагнитной муфтой.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи.

1. Исследовать существующие протезируемые и вспомогательные системы перемещения человека, а также устройства управления их движением.

2. Разработать методики и алгоритмы, обеспечивающие функционирование блока управления протезируемой системы с заданной точностью её выходных переменных, а также безопасность её эксплуатации системы при отключении электропитания.

3. Построить и исследовать математические модели движения протезируемой системы, а также её блока управления.

4. Разработать и апробировать конструкцию протезируемой системы.

5. Разработать модификацию блока управления системы.

Методы исследований. В работе использованы методы классической механики, математического моделирования, кинематического и динамического анализа, классической и современной теории автоматического управления, синергетики, мехатроники и робототехники, нейросетевого моделирования, экспериментальные исследования на физической модели.

Достоверность теоретических разработок, научных положений и выводов подтверждается корректностью применения математического аппарата теории управления, теории дифференциальных уравнений, согласованностью результатов теоретических расчетов с данными, полученными в процессе практической апробации работы, а также имитационным моделированием движения устройства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана модификация блока управления протезируемой системой, отличающаяся наличием нейросетевого процессора и электронного ключа, что позволяет повысить точность регулирующего сигнала и безопасность эксплуатации системы в процессе движения человека при отключении электропитания.

2. Построена математическая модель, характеризующая движение протезируемой системы, отличающаяся описанием деформации элемента механизма передачи движения к коленному шарниру, что позволяет исследовать изменение переменных движения системы обрабатываемых блоком управления, и определить закон изменения регулирующего сигнала.

3. Предложена методика анализа точности регулирующего сигнала блока управления, отличающаяся сравнением кинематических и динамических переменных движения протезируемой системы с заданными, что позволяет оценить эффективность функционирования блока управления и разработать методы улучшающие его характеристики.

4. Определены условия формирования управляющего сигнала блока управления протезируемой системы, учитывающие применение электронного ключа, что позволяет обеспечить движение системы при отключении электропитания её устройства управления.

5. Предложен способ вычисления управляющих воздействий блоком управления системы, отличающийся применением метода нейросетевого моделирования, что позволяет обеспечить движение протезируемой системы с заданной точностью выходных переменных.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке новых методик обеспечения качественного управления движением полуавтоматической протезируемой системы, позволяющих минимизировать отклонение реальных кинематических переменных движения системы от их идеальных значений; новых математических моделей движения протезируемой системы, которые могут быть использованы

при проектировании устройств подобного класса; методических рекомендаций проектирования полуавтоматических протезируемых систем.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что результаты, полученные на базе предложенного устройства, защищенного патентом на полезную модель, позволяют обеспечить безоперационное лечение некоторых видов заболеваний опорно-двигательного аппарата (сращивать сломанные кости, восстанавливать суставы нижних конечностей человека); разгрузить скелет и мышцы нижних конечностей человека; снизить стоимость изделия по сравнению с зарубежными аналогами; обеспечить движение протезируемой системы с заданной точностью кинематических параметров; реализовать движение устройства в соответствии с естественным движением человека.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Структурная схема блока управления протезируемой системы с нейросетевым процессором и электронным ключом позволяющая, повысить точность регулирующего сигнала блока управления системы и безопасность её эксплуатации в процессе движения человека при отключении электропитания.

2. Математическая модель, которая описывает движение полуавтоматической протезируемой системы и позволяет исследовать изменение переменных движения системы обрабатываемых блоком управления.

3. Результаты анализа точности регулирующего сигнала блока управления, которые позволяют оценить эффективность его функционирования.

4. Методика формирования управляющего сигнала электронным ключом блока управления протезируемой системы, позволяющая обеспечить движение системы при отключении её электропитания и плавность выключения электромагнитной муфты.

5. Способ вычисления управляющих воздействий блоком управления системы с использованием метода нейросетевого моделирования, что позволяет обеспечить движение протезируемой системы с заданной точностью выходных переменных.

6. Результаты нейросетевого моделирования функционирования блока управления полуавтоматической протезируемой системы, согласно которым максимальное отклонение регулирующего сигнала блока управления от заданных значений кинематических и динамических переменных движения системы, которые находятся в пределах требуемого диапазона.

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы в технике и технологиях», 23-й и 24-й Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», 5-м и 6-м Саратовском областном салоне «Изобретения, инновации и инвестиции», международном конгрессе информационных технологий 1С1Т1-2012, форуме Селигер-2010 на секции «Инновации и техническое творчество».

Публикации. По диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, из них 3 - в журналах из перечня ВАК, 1 патент РФ на полезную модель.

Личный вклад автора в этих работах состоит в создании конструктивных решений при проектировании полуавтоматических протезируемых систем, в разработке системы управления устройством, в построении математической модели движения человека и протезируемых механизмов, в разработке алгоритмов и методик обеспечения устойчивого движения полуавтоматических протезируемых систем, в разработке алгоритма и программы управления движения механизма.

Использование результатов. Разработанные модели и методы приняты к внедрению конструкторами и разработчиками в отрасли протезостроения. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе

кафедры «Системы искусственного интеллекта» для студентов специальности «Роботы и робототехнические системы» и направления «Мехатроника и робототехника».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 141 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 2 таблиц, списка литературы из 120 наименований.

1. ОБЗОР ПРОТЕЗИРУЕМЫХ СИСТЕМ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА

В первой главе приводится обзор заболеваний опорно-двигательного аппарата человека, методов и средств их лечения, описываются конструкции и назначение вспомогательных средств лечения людей с повреждением опорно-двигательного аппарата, этапы проектирования протезируемых систем. Приводятся требования, предъявляемые к ним, анализ протезируемой системы как объекта управления. Формулируются цель и задачи диссертационной работы.

1.1 Краткая характеристика протезируемых систем

Повреждение опорно-двигательного аппарата человека относится к хирургическим заболеваниям, т.е. заболеваниям, при которых хирургическое лечение является основным. К таким заболеваниям относятся: повреждения (травмы, ожоги, отморожения), врожденные заболевания (пороки развития), приобретенные заболевания, паразитные заболевания; опухоли. Показаниями к хирургическому лечению могут быть абсолютными (кровотечения, травмы, омертвения) и относительные, когда излечение может быть достигнуто без операции, но по различным причинам откладывается.

В XX веке сформировалась строгая система организации скорой медицинской помощи, травмоторлогии и ортопедии. Этому способствовали работы P.P. Вредера, Ю.Ю. Джанилидзе, H.H. Приорова, Г.И. Турнева [72]. Организация травмотологической помощи подразумевает оказание первой помощи, которая оказывается на травматических пунктах. Далее больной переводится в травмотологическое отделение, а для исправления врожденных и приобретенных дефектов опорно-двигательного аппарата - в ортопедическое отделение.

Травма (повреждение) является следствием воздействия на организм внешних факторов, вызывающие функциональные нарушения организма человека [82]. Травмы по